TWI442441B - 離子植入系統以及在離子植入系統中將離子植入至工作件之中的方法 - Google Patents

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Description

離子植入系統以及在離子植入系統中將離子植入至工作件之中的方法
本發明大體上係關於離子植入系統,且更明確地說,本發明係關於控制離子植入器之中的離子束。
離子植入系統是用來在積體電路製造中利用雜質來摻雜半導體基板的機制。於此等系統中,一摻雜材料係被離子化並且會從中產生一離子束。該離子束係被引導至一半導體晶圓或工作件的表面,以便將離子植入該晶圓之中。該射束之中的離子係穿透該晶圓的表面並且會在其中形成具有所要導電性的區域,舉例來說,用以進行電晶體製造。一典型離子植入器包含:一離子源,用以產生該離子束;一束線裝配件,其包含一質量分析設備,用以引導及/或過濾(舉例來說,質量解析)該射束內的離子;以及一目標反應室,用以容納要被處理的一或多個晶圓或工作件。
批次式類型的植入器包含一旋轉圓盤支撐架,用以移動多個半導體晶圓通過該離子束。當該支撐架旋轉該等晶圓通過該離子束時,該離子束便會撞擊該晶圓表面。序列式植入器則一次會處理一個晶圓。該等晶圓係被固定在一晶匣之中並且每次會被取出一個並被放置在一支撐架之上。接著,該晶圓便會被定向在植入方位上,以便讓該離子束撞及該單一晶圓。該些序列式植入器係運用到射束成形,其能夠讓該射束偏離其初始軌道,並且通常會配合協同的晶圓支撐架運動來選擇性地摻雜或處理整個晶圓表面。
離子植入器的優點在於它們可在工作件內達成精確的摻雜物的量及置放。明確地說,離子植入器允許隨著給定的應用來改變要被植入之離子的劑量與能量。離子劑量係控制被植入離子的濃度,其中,高電流植入器通常會用於進行高劑量植入,而中電流植入器則會用於進行較低劑量應用之中。離子能量則係用來控制半導體元件中的接面深度,舉例來說,該能量係決定離子要被植入於一工作件內的深度。
應該明白的是,在電子工業希望縮小電子裝置以產生更小且更強大裝置(舉例來說,蜂巢式電話、數位相機、...等)的趨勢前提下,該些裝置之中所用到的半導體與積體電路(舉例來說,電晶體、...等)的尺寸也會持續地縮小。若能將更多該些元件「封裝(pack)」在單一半導體基板或其一部份(稱為晶粒)之上則亦可改良製造效率與產量。應該明白的是,若欲成功地提高封裝密度,控制離子植入扮演著相當重要的角色。舉例來說,對低能量、高電流射束的植入能量進行控制可允許實施較淺深度的植入作業,以便產生較薄的元件並且提高封裝密度。除此之外,在該離子束相對於該工作件之機械表面及/或結晶晶格結構的定向(舉例來說,角度)方面亦可能會有較小的誤差邊限。據此,便需要可促成對離子植入進行更多控制的機制與技術。
下文將會簡略地概述本發明,以便對本發明的特定觀點有基本的瞭解。此概略說明並未廣泛地詳述本發明。其本意既非確定本發明的關鍵或重要元件,亦非限定本發明的範疇。更確切地說,其主要的目的僅在於以簡化的形式來提出本發明的一或多項概念,作為稍後要被提出之更詳細說明的序言。
一種含有兩個雙極磁鐵的平行化組件係彎折一橫越其中的被掃描離子束,俾使該離子束係具有實質上為「s」的形狀。此s彎折係用來幫助在該晶圓上有均勻且精確的植入特性,舉例來說植入角度,同時幫助過濾該射束的中性污染物。除此之外,在該植入系統的末端處還會包含一減速級,俾使該射束的能量可在整條束線之中均保持非常的高,以減輕射束擴散的情形。此減速級還有助於過濾該射束之中的中性及有能量的污染物。
為達前述及相關的目的,下文說明及隨附圖式會詳細提出本發明的特定解釋性觀點及實行方式。不過,該些觀點及實行方式僅係代表可運用本發明之一或多項觀點的各種方式中之其中數者。配合隨附圖式來探討下文的本發明詳細說明便會明白本發明的其它觀點、優點、以及新穎特點。
現在將參考圖式來說明本發明的一或多項觀點,其中,會在所有圖式中使用相同的元件符號來代表相同的元件,且其中,圖中所示的各種結構並不必然依照比例來繪製。在下文的說明中,為達解釋的目的,會提出許多明確的細節,以便能夠澈底瞭解本發明的一或多項觀點。不過,熟習本技術的人士便會明白,即使在該些明確細節不充足的條件下仍可實行本發明的一或多項觀點。於特定的情況中將會以方塊圖的形式來顯示眾所熟知的結構及裝置,以幫助說明本發明的一或多項觀點。
如上所述,在半導體製造處理中係利用帶電粒子或離子來植入半導體晶圓或工作件。該等被植入的材料係被稱為摻雜物,因為它們會「摻雜」或改變將被植入其的基層或其它層的電氣特徵,從而會讓該等層具有所要且可預期的電氣行為。
應該明白的是,對控制通道效應及遮蔽效應來說,控制離子束的角度內容是非常重要的,其中,該基板之中的有效植入深度與通道效應係具有函數關係。如圖1中所示,當離子束104遭遇到一基板中較少晶格結構100甚至未遭遇到基板中任何晶格結構100時便會發生通道效應(舉例來說,因為該射束平行於該晶格結構100的平面110-在圖中所示之範例的晶格結構100內定義著二十七個立方單元102)。相反地,圖2所示的情況則係離子束104係遭遇到部份的晶格結構100並且會被偏離108及降低速度,從而會讓離子被植入至較淺的深度處。為減輕通道效應及因而造成的植入深度的增加,特別是在利用低離子束能量的條件下,現代通常會將高電流射束植入該基板上的一非晶層之中,該非晶層是藉由在該基板上沉積一非晶層或是利用高劑量的非摻雜物種來進行前置非晶化植入而得。
對遮蔽效應來說,控制離子束的角度內容同樣非常重要,其中,隨著特徵圖案尺寸縮小及實施高電流淺植入以提高封裝密度,遮蔽效應問題會變得越來越重要。遮蔽效應所指的係該晶圓中的特定部份可能會因為該射束被該晶圓上的一或多個相鄰特徵圖案阻擋而僅能接收到極少的摻雜物甚至接收不到任何摻雜物的情形。舉例來說,請參考圖3,半導體基板或晶圓300的一或多個部份的剖面圖係形成複數個特徵圖案302、304、306、308,且其間定義著個別間隔310、312、314。該等特徵圖案302、304、306、308可能係由光阻材料或多晶矽材料所構成,且因此全部會具有實質相同的高度。不過,該等特徵圖案302、304、306、308的其中一部份被形成為比較靠近,而與其它特徵圖案卻比較疏遠,因此,它們之間的對應間隔310、312、314便會具有不同的寬度。
基板300之中藉由間隔310、312、314而露出的區域320、322、324係透過離子植入而被摻雜。據此,一或多道離子束330便會被引導至基板300處,用以實施該摻雜作業。不過,該等射束330卻會被定向成和基板300之表面340形成一角度,以便減輕通道效應。因此,在部份該等射束330之中,它們的部份離子便會被該等特徵圖案302、304、306、308中的一部份(舉例來說,角落)阻擋。因此,該等基板區域320、322、324內的區域350、352、354所收到的摻雜離子量便會少於預期的量。從圖中可以看出,當該等特徵圖案302、304、306、308越靠近(但是並未改變它們的高度)且該等個別間隔310、312、314因而變得較狹窄時,該等不充份摻雜的區域350、352、354便會佔據該等基板區域320、322、324中之較大的部份。應該明白的是,當離子植入角度提高時(舉例來說,為消弭通道效應),此遮蔽效應便可能會加劇。
再者,更重要的是,通常必須在該工作件上保持實質恆定的植入角度。舉例來說,通常會在一特殊的工作件之上形成一半導體元件及/或積體電路的許多複製並且接著會從該處將它們移除(舉例來說,切割開來)。舉例來說,在該工作件上的遮蔽效應及/或通道效應變化(舉例來說,因植入角度變化所造成者)可能會導致不同的生成元件,而以不同的方式來運作。因為半導體製造商通常需要可預測且可重複的元件效能,所以,這並非是所要的結果。
圖4所示的係一示範性離子植入系統410,其中,如本文所述,可以控制離子束。該系統410具有一始端412、一射束線裝配件414、以及一末端站416。該始端412包含一離子源420,該離子源420係由一高電壓電源供應器422來供電,該電源供應器係產生一離子束424並且會將該離子束424引導至該射束線裝配件414。該離子源420係產生帶電離子,該等帶電離子係被抽出並且形成該離子束424,該離子束424係沿著該射束線裝配件414中的一 射束路徑被引導至該末端站416。該始端412有時候亦可被描述成包括部份該束線,其中,該部份的束線係在終端電位處。
為產生該等離子,一要被離子化的摻雜材料氣體(圖中並未顯示)係被設置在該離子源420的一產生反應室421內。舉例來說,該摻雜氣體可從一氣體源(圖中並未顯示)處被饋送至該反應室421之中。應該明白的是,除了電源供應器422之外,亦可使用任何數量的合宜機制(圖中並未顯示出任何該等機制)來激勵該離子產生反應室421內的自由電子,例如RF或微波激勵源、電子束注射源、電磁源、及/或一用以在該反應室內產生弧光放電的陰極。該等被激勵的電子係撞擊該等摻雜氣體分子並且因而會產生離子。一般來說會產生正離子,不過,本發明亦可套用至會產生負離子的系統中。
該等離子係藉由一離子抽出裝配件423經由該反應室421中的一狹縫418以受控的方式被抽出。該離子抽出裝配件423包括複數個抽出及/或抑制電極425。舉例來說,該抽出裝配件423可包含一分離的抽出電源供應器(圖中並未顯示),用以對該等抽出及/或抑制電極425進行偏壓以便加速來自該產生反應室421的離子。應該明白的是,因為該離子束424包括相同性質的帶電粒子,所以,該射束可能會有徑向向外擴散或展開的傾向,因為該等相同性質的帶電粒子會彼此排斥。還應該明白的是,在低能量、高電流(高導流係數)射束中的射束擴散現象會加劇,於此情況中,會有很多相同性質的帶電粒子非常緩慢地在相同方向中移動,而使得在該等粒子之間會有大量的排斥作用力,而粒子動量卻很小而無法保持該等粒子在該射束路徑的方向上移動。據此,該抽出裝配件423通常會被配置成讓該射束在高能量下被抽出,俾使該射束不會擴散(也就是,讓該等粒子具有足夠的動量以克服可能會造成該射束擴散的排斥作用力)。再者,通常有利的是在非常高的能量下在整個系統中傳輸該射束424,並且在快抵達工作件430之前降低以促成射束約束作用(containment)。同樣有利的是,產生且傳輸可在非常高的能量下被傳輸但卻以較低的等效能量被植入的分子或離子團(cluster ion),因為分子或離子團的能量係被分化至該分子的該等摻雜原子之中。
射束線裝配件414具有一束導432、一質量分析器426、一掃描系統435、以及一平行化器439。該質量分析器426係形成約九十度的角度並且包括一或多個磁鐵(圖中並未顯示)用以在其中建立一(雙極)磁場。當該射束424進入該質量分析器426之中時,其便會因該磁場而被彎折,俾使具有不合宜電荷質量比的離子會被斥開。更明確地說,具有過大或過小電荷質量比的離子均會被偏離至該質量分析器426的側壁427之中。依此方式,該質量分析器426便僅會讓該射束424之中具有所要電荷質量比的離子通過其中並且經由一解析孔徑434離開。應該明白的是,離子束與該系統410中的其它粒子產生撞擊可能會損及射束完整性。據此,可能會含有一或多個抽氣泵(圖中並未顯示)來排空至少該束導432。
圖中所示之範例中的掃描系統435包含一掃描元件436及一聚焦及/或操控元件438。個別的電源供應器449、450可運作用以被耦接至該掃描元件436及該聚焦與操控元件438,且更明確地說,其係會被耦接至被設置在其中的個別電極436a、436b以及438a、438b。該聚焦與操控元件438係接收具有非常狹窄輪廓之經過質量分析的離子束424(舉例來說,圖中所示之系統410中的「筆尖狀」射束),且由電源供應器450施加至該等平板438a與438b的電壓係運作用以將該射束聚焦與操控至該掃描元件436的掃描頂點451。接著,由電源供應器449(理論上其可能與電源供應器450相同)施加至該等掃描器平板436a與436b的電壓波形則會來回地掃描該射束424,以便將該射束424擴散成一細長的「帶狀」射束(舉例來說,一被掃描的射束424),其寬度可被設為至少大於等於所關注的工作件。應該明白的是,掃描頂點451可被定義為在被該掃描元件436掃描之後該帶狀射束之中的每一道小束或經掃描的部份看似從該光學路徑之中射出的位置點。
接著,該經過掃描的射束424便會通過該平行化器439,在圖中所示的範例中,其包括兩個雙極磁鐵439a、439b。該等雙極實質上為梯形並且被定向成彼此鏡射,以便讓該射束424彎折成實質上為s的形狀。換言之,該等雙極具有相等的角度以及相反的彎折方向。該等雙極的主要目的係產生一從該掃描頂點451處平行射出的發散束帶。使用兩個對稱的雙極會在該帶狀射束中產生有關小束路徑長度以及第一階與高階聚焦特性之對稱的特性。再者,和質量分析器426的運作方式類似,s彎折係用來對該射束進行去污作用。明確地說,中性粒子及/或其它污染物(舉例來說,在該質量分析器426的下游處進入該射束之中的環境粒子)的軌道並不會受到該等雙極的影響(或者僅會受到非常小的影響),因此,該些粒子係繼續沿著原來的射束路徑前進,而該些中性粒子之中不會(例如從一注射器處)被彎折或是僅會彎折非常小程度的特定數量的中性粒子便因而不會撞及該工作件430(其已經被移動以接收該被彎折的離子束424)。應該明白的是,從該射束中移除此等污染物是相當重要,因為它們可能擁有不正確的電荷、...等。此等污染物通常不會受到該系統400中的減速級及/或其它級的影響(或者受影響的程度非常的低)。因此,在劑量及角度均勻性方面,它們可能會對該工作件430具有重大的影響(雖然此非預期且通常並不樂見)。接著,這便可能會造成無法預測且非所要的產生的元件效能。
如其名,平行化器439還會讓該射束散開成平行的小束424a,而使得該工作件430上的植入參數(舉例來說,植入角度)會非常的均勻。接著參考圖5,從圖中可以看見,該等雙極439a、439b中的每一者均會讓該等小束424a彎折成與平行於該射束424之原始軌道的方向443形成角度θ 441,從而讓該射束實質上具有s的形狀。於其中一範例中,θ 441介於約30度及約40度之間。於任何情況中,因為該等兩個雙極439a、439b係彼此鏡射,所以,個別的小束424a便會具有實質上相等的路徑長度437(圖4),其有助於造成均勻的植入參數(舉例來說,植入角度)。這亦可被描述成該等小束424a中的每一者具有恆定的路徑長度。藉由在該等雙極439a、439b之中使用小額的彎曲角度便會讓該等小束424a的長度437保持非常的短。此優點至少在於其係讓該植入系統400的整個涵蓋範圍保持得相當精簡。除此之外,於圖中所示的範例中,該等雙極439a、439b係分隔間隙442。該間隙442係為該等個別小束提供相等的漂移長度,並且可能會讓該等雙極439a、439b的分隔距離為該等雙極之極間隙的兩倍,舉例來說,其通常係介於約4英吋與約10英吋之間。
還應該明白的是,形成該s彎折的該等兩個雙極的質量解析度係每一個雙極的質量解析度的一半,因為它們的彎折方向係相反的。舉例來說,這有利於在植入離子團時,在經由該質量解析雙極426進行質量解析之後來傳輸一包括類似質量之分子的分子離子束。該s彎折之較低的質量解析度係藉由保持很低的質量分散效應來維持一包括類似(但不相等)質量之分子的離子束的射束尺寸與射束角度。
接著參考圖6,應該明白的是,該等雙極439a、439b可各包括複數個勾形(cusping)磁鐵445,用以幫助約束(contain)及/或控制通過其中的離子束424(即使僅有圖7中顯示出其中一個雙極439a)。該等勾形磁鐵445的運作方式和Benveniste等人所獲頒的美國專利案第6,414,329號中所述者相同,本文以引用的方式將其完整併入。應該明白的是,該等勾形磁鐵445通常會在該射束的路徑之中感應一靜態磁場,用以約束藉由自我中和作用而產生的電子,以便從而禁制此等電子在垂直於該磁場的方向上的運動。更明確地說,該等勾形磁鐵445係用來約束電子,俾使它們難以沿著該磁場來移動且抵達極的器件。依此方式,便可因而減輕該等電子造成進一步的自我中和作用。在圖中所示的範例中,該等勾形磁鐵445係分散在雙極439a附近。然而,該等勾形磁鐵445仍可採用任何合宜的定向(及/或尺寸及/或間隔及/或數量),並且被視為落在本文揭示內容的範疇內(舉例來說,用以達成所要的射束約束及/或控制目標)。
除此之外,當在該等雙極439之中提供RF或微波能量時,那麼介於該等磁場與電場之間的合作相互作用便會導致在該等磁鐵445之間產生電子迴旋共振(ECR)條件。此ECR條件的好處係會增強和前進通過該等雙極439的離子束(圖中並未顯示)相關聯的射束電漿,從而會改良射束完整性。在該離子束的周圍ECR條件的產生便會藉由傳輸能量給該射束附近的電漿來減輕射束擴散作用,從而會增強該電漿。當在一靜態磁場中施加一交流電場至帶電粒子時便會發生電子迴旋共振條件,使得該電場的頻率係匹配該等靜態磁場線附近之帶電粒子的自然旋轉頻率。在達成此共振條件時,單一頻率電磁波便能夠非常有效率地加速帶電粒子。
Benveniste等人所獲頒的美國專利案第6,414,329號中所提出的波導亦可被納入該等雙極439的每一者之中。此等波導包括由一合宜傳導媒體(舉例來說,石英)所製成的一或多層,其係藉由一薄塗料而被金屬化在該等雙極的內側壁之上。亦可在該等波導的該等朝內金屬化層之中設置橫向延伸埠口或狹縫,以幫助將RF或微波能量耦合至該離子束。該RF或微波能量係提供電場,其係與該等勾形磁鐵445所產生的多個勾形磁場進行合作互動,用以提供及/或增強ECR區域,以便減輕射束擴散。
接著返回參考圖4,一或多個減速級457係被設置在該平行化組件439的下游處。向上前進至系統400中的此點處,射束424通常會在非常高的能量位準處被傳輸,以減輕發生射束擴散的傾向,舉例來說,在射束密度很高的地方(例如在解析孔徑434處)發生射束擴散的情形可能會特別高。和離子抽出裝配件423、掃描元件436、以及聚焦與操控元件438類似,該減速級457亦包括一或多個電極457a、457b,它們可運作用以減速該射束424。
然而,應該明白的是,雖然在示範性離子抽出裝配件423、掃描元件436、聚焦與操控元件438、以及減速級457之中分別顯示兩個電極425a與425b、436a與436b、438a與438b、以及457a與457b,不過,該些元件423、436、438、以及457仍可包括被排列且被偏壓成用以加速及/或減速離子以及用以對該離子束424進行聚焦、彎折、偏離、收斂、發散、掃描、平行化、及/或去污的任何合宜數量的電極,如Rathmell等人所獲頒的美國專利案第6,777,696號中所提供者,本文以引用的方式將其完整併入。除此之外,聚焦與操控元件438還可包括複數個靜電偏離板(舉例來說,一或多對)、以及一聚焦鏡(Einzel lens)、複數個四極、及/或用以聚焦該離子束的其它聚焦元件。雖然並非必要,不過,倘若施加電壓至元件438內的該等偏離板而使得它們的平均值為零卻可能會相當有利,其效應係避免要引進一額外的聚焦鏡以減輕元件438之聚焦樣態失真。應該明白的是,「操控(steering)」該離子束係與平板438a、438b的錐度以及被施加至其上的操控電壓具有函數關係,因為就此來說,射束方向係與該等操控電壓及該等平板的長度成正比並且會與射束能量成反比。
以另一範例來說,應該明白的是,該減速級457係運作以進一步過濾該射束之中具有非所要能量的離子以及中性粒子(舉例來說,未被該平行化器439以及s彎折所濾除而在該射束424之中的粒子)。相反地,具有所要能量的離子物種便會遵循相同的路徑並且會由該減速級457來引導與減速。倘若該離子束包括類似質量的分子的話,此作法便會相當有利,例如在射束團植入中-所有的質量均會遵循相同的軌道且該靜電減速級將不會有任何的質量分散作用,俾使可維持射束尺寸以及角度(於此範例中為離開該束帶的平面)。
接著參考圖7,舉例來說,圖中所圖解的是一示範性減速級457,其包含第一電極702及第二電極704以及多個中間電極板。該等第一電極702及第二電極704實質上係彼此平行,並且分別含有第一孔徑706與第二孔徑708。在該等孔徑706、708之間係界定一間隙710,且該等電極702、704係被排列成讓一實質上垂直於該等第一電極702及第二電極704的軸線712通過該間隙710且通過該等第一孔徑706與第二孔徑708。
圖中所示之範例中的該等中間電極板包括第一上中間隙電極750、第二上中間隙電極752、以及第三上中間隙電極754;第一下中間隙電極756、第二下中間隙電極758、以及第三下中間隙電極760。第一上子間隙區762係被界定在該第一電極702與該第一上中間隙電極750之間。第二上子間隙區764係被界定在該第一上中間隙電極750與該第二上中間隙電極752之間。第三上子間隙區766係被界定在該第二上中間隙電極752與該第三上中間隙電極754之間。最後,第四上子間隙區768則係被界定在該第三上中間隙電極754與該第二電極704之間。同樣地,第一下子間隙區770係被界定在該第一電極702與該第一下中間隙電極756之間。第二下子間隙區772係被界定在該第一下中間隙電極756與該第二下中間隙電極758之間。第三下子間隙區774係被界定在該第二下中間隙電極758與該第三下中間隙電極760之間。最後,第四下子間隙區776則係被界定在該第三下中間隙電極760與該第二電極704之間。在圖中所示之範例中,通過間隙710的離子束424係從軸線712處被偏離角度θ’ 727(舉例來說,該角度可以是約12度),並且會被聚焦在間隙710下游處的位置點728處。
在圖中所示之範例中係描述特定的偏壓以幫助討論減速級457之運作。不過,應該明白的是,為達本發明之目的,實際上可在該等電極上施加任何合宜的偏壓以達所要的結果(舉例來說,加速、減速、及/或偏離的程度)。不過,圖7中的偏壓數值卻可有效地闡明該離子束726之減速作用。第一電極702係相對於接地被偏壓至-4KV處,該第一上中間隙電極750係被偏壓至-4.5KV處,該第一下中間隙電極756係被偏壓至-6.5KV處,而其餘的電極則會被偏壓至0V處。該離子束726(更明確地說係其中所包含的離子)係以一初始能量位準(舉例來說,在圖中所示之範例中為6KeV)通過第一孔徑706進入間隙710。為加速或減速該射束中之離子,該等第一電極702及第二電極704係被賦予不同的偏壓,俾使其間係存在著電位差,且當該等離子通過該等第一電極702及第二電極704之間的間隙710時係產生相應的能量增加或下降。舉例來說,在圖7中所示之範例中,當該等離子從具有負4KV偏壓的第一電極702前進至具有零電位(舉例來說,被耦接至接地)的第二電極704時便會產生4KeV的能量降。因此,當該等離子通過間隙710且經歷4KeV的能量降時,原始的6KeV能量便會下降至2KeV。所以,該離子束726在離開該間隙710且進入該間隙710下游處的一中性區730之中時便會具有一特殊的最終能量位準(舉例來說,在圖中所示之範例中為2KeV)。
應該明白的是,不論該等離子的路徑是否經過該間隙710,上述結果均會成立。舉例來說,在圖中所示之範例中,進入介於第一電極702與第一下中間隙電極756之間的第一下子間隙區770的離子被加速的速率將會大於進入第一電極702與第一上中間隙電極750之間的第一上子間隙區762的離子被加速的速率。這是因為介於第一電極702與第一下中間隙電極756之間的電位差大於第一電極702與第一上中間隙電極750之間的電位差的關係(也就是,第一下子間隙區770的負2.5KV(負4KV減去負6.5KV)以及第一上子間隙區762的負0.5KV(負4KV減去負4.5KV))。
不過,此加速差異卻會因該等第一上中間隙電極750與第一下中間隙電極756和該第二電極704之間的對應電位差而被抵消。舉例來說,在圖中所示之範例中,該第二電極704係被偏壓至零(舉例來說,被耦接至接地)。因此,來自該第一下子間隙區770的離子被減速的程度會大於來自第一上子間隙區762的離子被減速的程度。當該等離子進入該間隙710時,這便會抵消它們的加速差異,以便在該等離子離開該間隙710時會讓它們具有實質相同的能量(舉例來說,2KeV)。來自該第一下子間隙區770的離子被減速的程度將會較大,因為在跨越第二下子間隙區772(以及第三下子間隙區774與第四下子間隙區776)時它們必須橫越負6.5KV(舉例來說,第一下中間隙電極756的負6.5KV偏壓減掉第二下中間隙電極758、第三下中間隙電極760、以及第二電極704的零V偏壓)。相反地,來自該第一上子間隙區762的離子被減速的程度將會較小,因為在跨越第二上子間隙區764(以及第三上子間隙區766與第四上子間隙區768)時它們僅必須橫越負4.5KV(舉例來說,第一上中間隙電極750的負4.5KV偏壓減掉第二上中間隙電極752、第三上中間隙電極754、以及第二電極704的零V偏壓)。據此,不論它們是否採用不同的路徑且不論它們下降經過的能量位準為何,因間隙710之效應所產生的離子實質上均係位在相同的能量位準處(舉例來說,2KeV)。
應該明白的是,該等上中間隙電極750、752、754以及下中間隙電極756、758、760具有至少下面兩項目的:射束彎折以及將該射束帶至該間隙710之中,以減輕射束擴散。該等中間隙電極的偏壓通常彼此互不相同,用以在其間產生一靜電場,以便於根據該偏壓情況來將該射束向上或向下彎折。舉例來說,在圖中所示的範例中,第一上中間隙電極750係被偏壓至負4.5KV,第一下中間隙電極756係被偏壓至負6.5KV,而其餘的電極則會接地或被偏壓至零;不過,舉例來說,亦可依照射束特性(舉例來說,電流、能量)來對它們施加不同的偏壓,以便延長或縮短該加速器的有效長度。假設該射束包括正電離子,此電位差異係讓通過該間隙710的該等正電離子被迫向下往較為負電性的下中間隙電極716移動,最後便會讓該射束726向下彎折或偏離(舉例來說,約12度)。應該明白的是,第二上中間隙電極752與第二下中間隙電極758及/或第三上中間隙電極754與第三下中間隙電極760可以和第一上中間隙電極750與第一下中間隙電極756類似的方式被偏壓,以幫助彎折該射束。偏壓二或多組電極以彎折該射束實際上可能會比偏壓單一組電極更為經濟,因為利用二或多組電極來彎折該射束所需要的電壓可能會遠低於利用單一組電極來彎折該射束所需要的電壓。舉例來說,當該射束係一包括具有龐大動量之離子的高能量射束且因而可能更難以彎折或偏離時,此作法可能會特別有用。
介於第一上中間隙電極750與第一下中間隙電極756以及第一電極702與第二電極704之間的電位差係藉由影響射束424之中的離子進入該間隙710之中的方式以減輕射束擴散作用。這可能是必要的作用,因為該外來射束可能係位於或接近最大射束電流(舉例來說,離子濃度)處,並且因而極可能會具有快速朝外分散或向上擴散的傾向,尤其是在進入空間電荷會提高的靜電場時。舉例來說,在圖7中所示的範例中,相較於第一電極702的電壓,第一上中間隙電極750與第一下中間隙電極756係被負向偏壓(舉例來說,相較於負4KV,分別為負4.5KV及負6.5KV)。此電位差係將該射束726之中的離子拉進該間隙710之中。因此,該射束424係加速進入該等第一上子間隙區762與第一下子間隙區770之中並且會因而減輕射束擴散作用。這有助於讓該射束424通過該加速器結構內的間隙710,但卻不會失去該射束424的約束作用。
應該明白的是,該等上中間隙電極750、752、754以及下中間隙電極756、758、760的排列、組態、及/或形狀均可加以修整以幫助控制該射束的透鏡效應。舉例來說,在圖7中所示的圖式中,該等下中間隙電極756、758、760的寬度係略小於該等上中間隙電極750、752、754的寬度,且該第三下中間隙電極還擁有一輕微的斜角732。該些調整基本上係要克服該等離子因外加偏壓差異的關係而經歷較強的加速及/或減速時在該等下中間隙電極756、758、760(並且在所示的範例中尤其是第一下中間隙電極756,因為第二與第三下中間隙電極758與760係接地的)附近的離子所遭遇到之極高的透鏡效應。不過,應該明白的是,就本文所揭示之內容的目的來說,該些電極750、752、754、756、758、760可能具有任何合宜的組態並且可能會有任何合宜數量的此等電極。還應該進一步明白的是,該射束可能會在加速模式、減速模式、及/或漂移(舉例來說,零加速/減速)模式之中被彎折,因為主要負責射束彎折的該等上下中間隙電極750、752、754、756、758、760實質上會獨立於該等第一電極702、第二電極704來運作,而該等第一電極702、第二電極704則主要係負責該射束424之加速/減速。
所有電位差的總淨效應係減速,其係聚焦與偏離該射束424之中的離子。當該射束之中的中性粒子(它們並不會受到該等電極之效應的影響)繼續沿著平行於該軸線712的原始射束路徑前進時,該射束的去污作用便會發生。舉例來說,該等污染物可能接著會遭遇到特定類型的屏障或吸收結構713,其係停止它們往前前進並且會遮蔽任何的工作件,以防止受到該等污染物的污染。相反地,該經偏離的離子束424的軌道則會使其正確地碰到且摻雜該工作件(圖中並未顯示)中的選定區域。應該明白的是,該等電極(舉例來說,位於該等第一電極702與第二電極704之間的上下中間隙電極750、752、754、756、758、760)的排列還可用來減輕射束擴散,因為此配置係最小化該射束424在碰到該晶圓之前必須前進的距離。藉由偏離該射束424(舉例來說,藉由該等上下中間隙電極750、752、754、756、758、760)同時聚焦該射束(舉例來說,藉由該等第一電極702與第二電極704),而不是依序排列該些彎折與聚焦級,可將該末端站716設置在更靠近該加速器處。
如圖所示,該加速器457還可包含上抑制電極734與下抑制電極736。該等抑制電極係用來在該晶圓及該中性區730上游的電位之間產生一電位屏障。該等抑制電極734、736係被偏壓以產生一向外伸入至該中性區730之中的電位屏障738。當不具有此等抑制電極734、736及所產生的屏障738時,來自其它電極的電位740便可能會穿透至位於該末端站(圖中並未顯示)旁邊的中性區730之中,並且會從該射束424之中抽出電子以及抽出可能會出現在該工作件之上或附近的電子。這可能會干擾空間電荷控制,其中,空間電荷控制係由饋送電子至位於該末端站附近的射束424之中的電漿淹沒作用來施行,且其目的係中和或降低因將帶電離子植入該工作件之中的關係而出現在該工作件中的電荷。該末端站上游處的電位740可能會將電漿中和電子吸離該工作件,從而會導致電位射束擴散及該工作件充電上升。由該等抑制電極734、736所產生的屏障或護壁738則會讓被該等正電位740從該末端站處抽離的電子回轉。
在圖中所示的範例中還包含一第三電極742,且其可被偏壓以幫助終止或限制來自該等抑制電極734、736的電場738。應該明白的是,雖然圖中所示之範例中的該等抑制電極734、736(以及第二電極704與第三電極742)係與射束軸線712傾斜約12度以便與該(經彎折的)射束424的任一側等距,從而產生一實質對稱的屏障配置;不過,本文卻可涵蓋任何的排列方式。舉例來說,該等抑制電極734、736亦可不傾斜及/或可以不同於第二電極704及/或第三電極742的方式來傾斜,而第二電極704及第三電極742本身可能是或可能不是傾斜的。
接著回頭參考圖4,應該明白的是,在植入器410之中可運用不同類型的末端站416。舉例來說,一「批次式」類型的末端站能夠在一旋轉支撐結構上同時支撐多個工作件430,其中,該等工作件430係旋轉通過該離子束的路徑,直到所有該等工作件430均被完全植入為止。相反地,一「序列式」類型的末端站則會在射束路徑之中支撐單一個工作件430來進行植入,其中,會以序列的方式每次植入一個工作件430,每一個工作件430均必須被完全植入之後才會開始植入下一個工作件430。在混合式系統中,該工作件430可在第一方向(Y方向或慢速掃描方向)上以機械的方式來平移,而該射束則會在第二方向(X方向或快速掃描方向)上來掃描以便在整個工作件430上方植入射束424。
於圖中所示之範例中的末端站416係一「序列式」類型的末端站,其係在射束路徑之中支撐單一個工作件430來進行植入。在該末端站416之中靠近該工作件位置處包含一劑量測定系統452,用以在進行離子植入作業之前先進行校準測量。於校準期間,該射束424係通過該劑量測定系統452。該劑量測定系統452包含一或多個輪廓儀456,該等輪廓儀456可沿著一輪廓儀路徑458連續地來回移動,從而測量該等被掃描射束的輪廓。舉例來說,輪廓儀456可包括一電流密度感測器(例如法拉第杯),其係測量該被掃描射束的電流密度,其中,電流密度係與植入的角度(舉例來說,該射束及該工作件的機械表面之間的相對定向及/或該射束及該工作件的結晶晶格結構之間的相對定向)具有函數關係。該電流密度感測器係以大體正交於該被掃描射束的方式來移動並且因而通常會在該帶狀射束的寬度中來回移動。於其中一範例中,該劑量測定系統係測量射束密度分佈及角度分佈兩者。射束角度之測量可使用一移動式輪廓儀來感測一具有複數條狹縫的光罩後面的電流,其方式如R.D.Rathmell、D.E.Kamenitsa、M.I.King、以及A.M.Ray在日本京都舉行的IEEE Proc.of Intl.Conf.會議記錄(1998年)第392至395頁中針對離子植入技術所述者,以及Rathmell等人所獲頒的美國專利申請案第11/288,908號,標題為「離子植入射束角度校正」及Rathmell等人所獲頒的美國專利申請案第11/290,344號,標題為「建立離子束對晶圓的定向且修正角度誤差的手段」中所述者,本文以引用的方式將它們完整併入。在經過短程漂移之後,來自該狹縫位置的每一道個別小束的位移可用來計算該小束角度。應該明白的是,此位移可被稱為該系統中之射束診斷的校準基準。
該劑量測定系統452可運作用以被耦接至一控制系統454,用以從該處接收命令信號並且提供測量數值至該處。舉例來說,該控制系統454可包括電腦、微處理器、...等,並且可運作用以從該劑量測定系統452處取得測量數值並且計算該工作件上該被掃描的帶狀射束的平均角度分佈。同樣地,該控制系統454可運作用以被耦接至會從該處產生該離子束的始端412以及該射束線裝配件414的質量分析器426、該掃描元件436(舉例來說,透過電源供應器449)、聚焦與操控元件438(舉例來說,透過電源供應器450)、該平行化器439、以及該減速級457。據此,藉由控制系統454便可調整任何該些元件,以便依據該劑量測定系統452所提供的數值來幫助產生所要的離子植入結果。舉例來說,剛開始可根據預設的射束調諧參數(該等參數可被儲存/載入至該控制系統454之中)來建立該射束。接著,舉例來說,依據來自該劑量測定系統452的回授,便可調整該平行化器439以更改s彎折的程度,以便更改植入角度。同樣地,舉例來說,該射束的能量位準亦可被調適成用以藉由調整被施加至該離子抽出裝配件423及該減速級457中之電極的偏壓來調整接面深度。舉例來說,在該質量分析器526中所產生的磁場的強度及定向可加以調整(例如藉由調節流過其中的場繞線的電流量),用以更改該射束的電荷質量比。舉例來說,藉由調整被施加至該操控元件438的電壓便可進一步控制植入的角度。
接著參考圖8,圖中所示的係用以在本文所述之離子植入系統中控制離子束的一示範性方法800。雖然,下文將該方法800顯示且說明成一連串的動作或事件,不過,應該明白的是,本發明並不受限於圖中所示之此等動作或事件的順序。舉例來說,根據本發明的一或多項觀點,特定動作亦可以不同的順序來進行及/或和本文所示及/或所述以外的其它動作或事件同時進行。此外,亦未必需要所有已描述的動作方可施行根據本發明的方法。
方法800始於810,於該處會在該離子植入系統之中產生一離子束,其係掃描跨越一工作件。舉例來說,該射束係被建立成具有所要的摻雜物種、能量、及/或電流。接著,該方法係前進至812,於該處係測量一或多項植入特徵,例如植入角度、射束物種、射束能量、植入深度、...等。舉例來說,可以利用上面所述的劑量測定系統來測量此等特徵。更明確地說,舉例來說,當該射束掃描跨越該晶圓時,可運用一劑量測定系統來決定該射束的電流密度,其中,電流密度係與植入的角度(舉例來說,該射束及該工作件的機械表面之間的相對定向及/或該射束及該系統中之經校準的診斷基準射束之間的相對定向)具有函數關係。藉由對取自該劑量測定系統的資料進行平均便可決定該植入角度分佈。
接著,便會在814處依據在812處所取得的測量值來調整該系統的操作參數。舉例來說,可以如上所述般地調整終端、質量分析器、掃描元件、聚焦與操控元件、平行化器、及/或減速級中的任何一或多者,以便達成所要的離子植入結果。該等經測得的參數可與被儲存在該系統的控制組件之中的所要參數作比較,以便確定是否需要進行任何調整來幫助達成所要的離子植入結果。雖然接著便會結束圖中所示的方法800,不過,實際上卻仍可循環執行或反覆執行,以便達成所要的離子植入結果。
雖然本文已經針對一或多種施行方式來顯示與說明本發明,不過,熟習本技術的人士在閱讀與瞭解本說明書及隨附圖式之後仍可進行各種等效的變更與修正。本發明涵蓋所有此等修正與變更並且並不受限於下文申請專利範圍的範疇。尤其是針對上述組件(裝配件、元件、裝置、電路、...等)所實施的各項功能來說,除非特別提及,否則用來說明此等組件的詞語(包含「構件」相關詞在內)均希望對應於實施所述組件之指定功能的任何組件(舉例來說,具有等效功能的組件),即使結構上不等同於本文中所圖解之本發明示範性實行方式中用來實施該項功能的揭示結構亦無妨。此外,雖然本文僅針對數種實行方式中其中一者來揭示本發明的某項特殊特點,不過此項特點卻可結合其它實行方式中的一或多項其它特點,此為任何給定或特殊應用所期望達成且相當有利者。再者,在詳細說明及申請專利範圍中會使用到「包含」、「具有」、或其變化詞語,此等詞語的目的與「包括」一詞類似,希望具有包容之意。另外,本文中還使用到「示範性」一詞,其目的僅在於表示一範例,而非表示最佳範例。
100...晶格結構
102...立方單元
104...離子束
108...離子束偏離
110...晶格結構平面
300...半導體基板
302...特徵圖案
304...特徵圖案
306...特徵圖案
308...特徵圖案
310...間隔
312...間隔
314...間隔
320...裸露區域
322...裸露區域
324...裸露區域
330...離子束
340‧‧‧基板表面
350‧‧‧不充份摻雜的區域
352‧‧‧不充份摻雜的區域
354‧‧‧不充份摻雜的區域
410‧‧‧離子植入系統
412‧‧‧始端
414‧‧‧射束線裝配件
416‧‧‧末端站
418‧‧‧狹縫
420‧‧‧離子源
421‧‧‧離子產生反應室
422‧‧‧電源供應器
423‧‧‧離子抽出裝配件
424‧‧‧離子束
424a‧‧‧小束
425a‧‧‧電極
425b‧‧‧電極
426‧‧‧質量分析器
427‧‧‧側壁
430‧‧‧工作件
432‧‧‧束導
434‧‧‧解析孔徑
435‧‧‧掃描系統
436‧‧‧磁性掃描元件
436a...電極
436b...電極
437...射束路徑長度
438...聚焦與操控元件
438a...電極
438b...電極
439...平行化器
439a...雙極磁鐵
439b...雙極磁鐵
441...射束角度
442...間隙
443...射束方向
445...勾形磁鐵
449...電源供應器
450...電源供應器
451...掃描頂點
452...劑量測定系統
454...控制系統
456...輪廓儀
457...減速級
457a...電極
457b...電極
458...輪廓儀路徑
702...第一電極
704...第二電極
706...第一孔徑
708...第二孔徑
710...間隙
712...射束軸線
713...吸收結構
726...離子束
727...偏離角度
728...聚焦點
730...中性區
732...斜角
734...抑制電極
736...抑制電極
738...電位屏障
740...電位
742...第三電極
750...第一上中間隙電極
752...第二上中間隙電極
754...第三上中間隙電極
756...第一下中間隙電極
758...第二下中間隙電極
760...第三下中間隙電極
762...第一上子間隙區
764...第二上子間隙區
766...第三上子間隙區
768...第四上子間隙區
770...第一下子間隙區
772...第二下子間隙區
774...第三下子間隙區
776...第四下子間隙區
圖1所示的係一結晶晶格結構的一部份之範例的立體圖,其中,一離子束係以實質上平行於該晶格結構之平面被引導至該晶格結構。
圖2所示的係一結晶晶格結構的一部份之範例的立體圖,如圖1中所示者,其中,一離子束係以實質上不平行於該晶格結構之平面被引導至該晶格結構。
圖3所示的係其上已形成複數個特徵圖案之半導體基板的一部份的剖面圖,該等特徵圖案係分隔不同的距離並且因而會在離子植入期間遭遇到不同程度的遮蔽效應。
圖4所示的係一示範性離子植入系統的方塊圖,其中,一離子束係被彎折成具有實質上為「s」的形狀且其中該射束係如本文所述般地在靠近該工作件處被減速。
圖5所示的係一離子束通過本文所述之平行化器的彎折程度的概略示意圖。
圖6所示的係於必要時在本文所述之平行化器之中納入勾形磁鐵的概略示意圖。
圖7所示的係本文所述之示範性減速組件的概略示意圖。
圖8所示的係本文所述之用以控制一離子束的示範性方法。
410‧‧‧離子植入系統
412‧‧‧始端
414‧‧‧射束線裝配件
416‧‧‧末端站
418‧‧‧狹縫
420‧‧‧離子源
421‧‧‧離子產生反應室
422‧‧‧電源供應器
423‧‧‧離子抽出裝配件
424‧‧‧離子束
424a‧‧‧小束
425a‧‧‧電極
425b‧‧‧電極
426‧‧‧質量分析器
427‧‧‧側壁
430‧‧‧工作件
432‧‧‧束導
434‧‧‧解析孔徑
435‧‧‧掃描系統
436‧‧‧磁性掃描元件
436a‧‧‧電極
436b‧‧‧電極
437...射束路徑長度
438...聚焦與操控元件
438a...電極
438b...電極
439...平行化器
439a...雙極磁鐵
439b...雙極磁鐵
441...射束角度
449...電源供應器
450...電源供應器
451...掃描頂點
452...劑量測定系統
454...控制系統
456...輪廓儀
457...減速級
457a...電極
457b...電極
458...輪廓儀路徑

Claims (18)

  1. 一種在一離子植入系統中將離子植入至工作件之中的方法,其係包括:在該離子植入系統中產生一離子束;在該離子植入系統中彎折該離子束,使其具有實質上為s的形狀,同時將該離子束平行化成複數道平行小束,俾使該等個別小束具有實質相等的長度;當該離子束被彎折成具有實質上為s的形狀之後便對其進行減速;以及將該工作件放置在該等小束的前面,以便將離子植入至該工作件之中。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法,其進一步包括:測量一或多項植入特徵;以及響應於該等經測得的特徵來調整該離子束的彎折及/或減速。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法,其中,該離子束係被彎折成第一角度並且接著會被彎折成一相等但卻反向的第二角度,以便達成該實質上為s的形狀。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法,其中,該等第一與第二角度的每一者均大於約20度。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法,其中,該離子束係包括分子離子。
  6. 一種在一離子植入系統中將離子植入至工作件之中的方法,其係包括: 在該離子植入系統中產生一離子束;在該離子植入系統中彎折該離子束,使其具有實質上為s的形狀,同時將該離子束平行化成複數道平行小束,俾使該等個別小束具有實質相等的長度;將該工作件放置在該等小束的前面,以便將離子植入至該工作件之中;測量一或多項植入特徵;以及響應於該等經測得的特徵來調整該離子束的彎折。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法,其中,該離子束係被彎折成大於約20度的第一角度,並且接著會被彎折成大於約20度之相等但卻反向的第二角度,以便達成該實質上為s的形狀。
  8. 一種離子植入系統,其係包括:一用於產生離子束的組件;一用於質量解析該離子束的組件;一平行化器組件,其係位於該質量解析組件的下游處,用以將該離子束彎折成實質上為s的形狀以便濾除污染物,同時將該離子束平行化成複數道平行小束,俾使該等個別小束具有實質相等的長度,其中該平行化器組件包括至少一對雙極磁鐵;以及一末端站,其係位於該平行化組件的下游處,並且會被配置成用以支撐一要利用該離子束以離子來植入的工作件。
  9. 如申請專利範圍第8項之系統,其中,該等個別的雙 極磁鐵的形狀實質上為梯形。
  10. 如申請專利範圍第9項之系統,其中,該等個別的雙極磁鐵係被定向成彼此鏡射。
  11. 如申請專利範圍第10項之系統,其中,該等個別的雙極磁鐵係將該射束彎折成大於約20度。
  12. 如申請專利範圍第11項之系統,其中,該等雙極磁鐵的至少其中一者包括勾形磁鐵。
  13. 如申請專利範圍第10項之系統,其中,該離子束包括分子離子。
  14. 一種離子植入系統,其係包括:一用於產生離子束的組件;一用於質量解析該離子束的組件;一平行化器組件,其係位於該質量解析組件的下游處,用以將該離子束彎折成實質上為s的形狀以便濾除污染物,同時將該離子束平行化成複數道平行小束,俾使該等個別小束具有實質相等的長度;一測量組件,其係被配置成用以測量經彎折的該離子束的一或多項植入特徵;一控制器,其在運作上係被耦接至該測量組件、射束產生組件、質量解析組件、平行化器組件、以及末端站,並且被配置成用以響應於該測量組件所取得的經測量的該離子束的該植入特徵來調整該射束產生組件、質量解析組件、平行化器組件、以及末端站中的至少一者的運作;以及 一末端站,其係位於該平行化組件的下游處,並且會被配置成用以支撐一要利用該離子束以離子來植入的工作件。
  15. 如申請專利範圍第12項之系統,其進一步包括:一測量組件,其係被配置成用以測量一或多項植入特徵;以及一控制器,其係在運作上被耦接至該測量組件、射束產生組件、質量解析組件、平行化器組件、以及末端站,並且被配置成用以響應於該測量組件所取得的測量值來調整該射束產生組件、質量解析組件、平行化器組件、以及末端站中的至少一者的運作。
  16. 一種離子植入系統,其係包括:一用於產生離子束的組件;一用於質量解析該離子束的組件;一平行化器組件,其係位於該質量解析組件的下游處,用以將該離子束彎折成實質上為s的形狀以便濾除污染物,同時將該離子束平行化成複數道平行小束,俾使該等個別小束具有實質相等的長度;一末端站,其係位於該平行化組件的下游處,並且會被配置成用以支撐一要利用該離子束以離子來植入的工作件;以及一減速組件,其係位於該平行化器組件的下游處且位於該末端站的前面,並且被配置成用以在離子被植入該工作件中之前來減速該離子束。
  17. 一種離子植入系統,其係包括:一用於產生筆尖狀離子束的組件;一用於質量解析該離子束的組件;一平行化器組件,其係位於該質量解析組件的下游處,用以將該離子束彎折成實質上為s的形狀以便濾除污染物,同時將該離子束平行化成複數道平行小束,俾使該等個別小束具有實質相等的長度;一掃描組件,其係位於該質量解析組件的下游處且位於該平行化器組件的前面,並且被配置成用以將該筆尖狀離子束掃描成一帶狀離子束;以及一聚焦與操控組件,其係位於該質量解析組件的下游處且位於該掃描組件的前面,並且被配置成用以將該離子束聚焦與操控至該掃描組件的掃描頂點;以及一末端站,其係位於該平行化組件的下游處,並且會被配置成用以支撐一要利用該離子束以離子來植入的工作件。
  18. 如申請專利範圍第17項之系統,其中,一控制器在運作上係進一步被耦接至該掃描組件及該聚焦與操控組件,並且被配置成用以響應於一測量組件所取得的測量值來調整該掃描組件及該聚焦與操控組件中的至少一者的運作。
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